淺談數(shù)控系統(tǒng)振蕩的排除方法

引言

    數(shù)控系統(tǒng)的振蕩現(xiàn)象已成為數(shù)控全閉環(huán)系統(tǒng)的共同性問題。尤其在臥式帶立柱的Z軸和旋轉(zhuǎn)數(shù)控工作臺B軸，其系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩的頻率較高。該問題已成為影響數(shù)控設(shè)備正常使用和高度的重要因素之一。

    1、產(chǎn)生振蕩的原因分析

    產(chǎn)生振蕩的原因有很多，陳了機(jī)械方面存在不可消除的傳動間隙、彈性變形、摩擦阻力等諸多因素外，伺服系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)的影響也是重要的一方面。

    伺服系統(tǒng)有交流和直流之分，本文主要討論直流伺服系統(tǒng)因參數(shù)影響引起的振蕩。大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床采用的是全閉環(huán)方式，其控制原理圖如圖1所示。

圖1 伺服全閉環(huán)系統(tǒng)

    由圖1可看出，引起伺報(bào)系統(tǒng)振動的原因大致有四種情況：

    a. 位置環(huán)不良又引起輸出電壓不穩(wěn)；

    b. 速度環(huán)不良引起的振動；

    c. 伺服系統(tǒng)可調(diào)定位器太人引起電壓輸出失真；

    d. 傳動機(jī)械裝置（如絲桿）間隙太大。

    這些控制環(huán)的輸出參數(shù)量失真或機(jī)械傳動裝置間隙太大都是引起振動的主要因素。它們都可以通過伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

    2、消除振動的基本方法

    有些數(shù)控伺服系統(tǒng)采用的是半閉環(huán)裝置，而全閉環(huán)伺服系統(tǒng)必須是在期局部半閉環(huán)系統(tǒng)不發(fā)生振動的前提下進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，所以兩者大同小異，本文為避免重復(fù)，暫只討論全閉環(huán)情況下的參數(shù)優(yōu)化方法。

    2.1 降低位置環(huán)增益

    在伺服系統(tǒng)中有參考的標(biāo)準(zhǔn)值，例如FANUCO-C系列為3 000，西門子3系統(tǒng)為 1666，出現(xiàn)振蕩可適當(dāng)降低增益，但不能降太多，因?yàn)橐�保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

    2.2 降低負(fù)載慣量比

    負(fù)載慣量比一般設(shè)置在發(fā)生振動時(shí)所示參數(shù)的70%左右，如不能消除故障，不宜繼續(xù)降低該參數(shù)值。

    2.3 加入比例微積分器（PID）

    比例微積分器是一個(gè)多功能控制器，它個(gè)僅能有效地對電流電壓信號進(jìn)行比例增益，同時(shí)可調(diào)節(jié)輸出信號滯后或超的問題，振蕩故障有時(shí)因輸出電流電壓發(fā)生滯后或超前情況而產(chǎn)生，這時(shí)可通過PID來調(diào)節(jié)輸出電流電壓相位。

    2.4 采用高頻抑制功能

    以上討論的是有關(guān)低頻振蕩時(shí)參數(shù)優(yōu)化方法，而有時(shí)數(shù)控系統(tǒng)會因機(jī)械上某些振蕩原因產(chǎn)生反饋信號中含有高頻諧波，這使輸出轉(zhuǎn)矩量不恒定，從而產(chǎn)生振動。

    對于這種高頻振蕩情況，可在速度環(huán)上加入一階低通濾波環(huán)節(jié)，即為轉(zhuǎn)矩濾波器。其控制原理如圖2所小。

圖2 轉(zhuǎn)矩濾波功能圖

    圖2表明，速度指令與速度反饋信號經(jīng)速度控制器轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩信號，轉(zhuǎn)矩信號通過一階濾波環(huán)節(jié)將高頻成分截止，從而得到有效的轉(zhuǎn)矩控制信號。通過調(diào)節(jié)參數(shù)可將機(jī)械產(chǎn)生的100Hz以上的頻率截止，從而達(dá)到消除高頻振蕩的效果。

    2.5 采用雙位置反饋功能

    雙反饋是一種改變控制方式的方法，可在同一個(gè)系統(tǒng)選擇半閉環(huán)或全閉環(huán)方式，其原理圖如圖3所示。

圖3 雙位置反饋控制原理圖

    由圖3可看出，誤差控制器ER1和ER2分別被用于全閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)中。一階延時(shí)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為（1＋τS）-1，可見實(shí)際誤差ER主要取決于一階延時(shí)環(huán)節(jié)中時(shí)間常數(shù)τ，的取值：

    若τ＝O，則（1+τs）-1＝1，ER＝ER1＋（ER2－ER1）＝ ER2，可見在此情況下該系統(tǒng)處于全閉環(huán)控制誤差，從而可以利用全閉環(huán)的誤差控制方法來消除振動故障；

    若τ＝∞，則(1+τs）-1＝O，ER＝ER1，可見在此情況下該系統(tǒng)處于半閉環(huán)控制誤差，從而可以利用半閉環(huán)的誤差控制方法來消除振動故障。

    綜上所述，利用雙位置反饋可使系統(tǒng)在全閉環(huán)和半閉環(huán)兩種方式下進(jìn)行，從而大大提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍，也增加了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)。從時(shí)間常數(shù)上可知，該系統(tǒng)可在停止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行全閉環(huán)誤差調(diào)整，在過渡狀態(tài)下可進(jìn)行半閉環(huán)調(diào)整�，F(xiàn)以 FANUCO－C為例，將具體參數(shù)調(diào)整過程進(jìn)行簡單介紹。

    首先設(shè)置參數(shù)P84ll＃（DPFB）為1，即為選擇雙位置反饋功能；P8449為位置反饋的最大振幅，一般設(shè)置為0；P8478（分子）和P8479（分母）為上圖中位置轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的常數(shù)設(shè)置，可根據(jù)要求設(shè)置；P8480為一階延時(shí)環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置代號，其設(shè)置范圍為10 ms～300 ms，一般設(shè)定為100ms左右；P8481為零點(diǎn)幅度，一般情況下為0，但因振蕩可適當(dāng)調(diào)高一點(diǎn)。

    雙位置反饋功能是一種比較靈活的誤差修正方式，在系統(tǒng)調(diào)試過程中有很好的參數(shù)優(yōu)化和保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的功能。

    2.6 采用機(jī)械反饋功能

    在保證半閉環(huán)穩(wěn)定性后，使用全閉環(huán)系統(tǒng)來調(diào)整系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)。若其機(jī)械環(huán)節(jié)引起的彈性振蕩故障，需采用機(jī)械反饋環(huán)節(jié)來調(diào)整參數(shù)，可達(dá)到很好的效果。其原理控制圖如圖4所示。

    其中：K1V為速度積分增益；K2V為速度比例增益；α為機(jī)械速度反饋增益。

圖4 機(jī)械速度反饋控制原理圖

    由圖4可看出，電機(jī)與工作臺之間的彈性機(jī)械裝置可能產(chǎn)生變形，而位置檢測主要來自位置編碼器，速度反饋直接來自電機(jī)編碼器。從整個(gè)全閉環(huán)過程來看，因機(jī)械彈性裝置的形變產(chǎn)生全閉環(huán)中位置反饋滯后于其它速度環(huán)節(jié)，從而引起系統(tǒng)振蕩。

    如果依圖4中加入機(jī)械速度反饋環(huán)節(jié)，使機(jī)械速度滯后得到補(bǔ)償，從而達(dá)到消除振蕩的效果。例如對于FANUCO－C系統(tǒng)來說，將參數(shù)P8421＃l設(shè)置為1后就可啟用機(jī)械速度反饋裝置。然后根據(jù)要求設(shè)置其它有關(guān)參數(shù)，可參照其系統(tǒng)參數(shù)說明書來調(diào)節(jié)。

    以上主要討論了幾種消除數(shù)控系統(tǒng)振蕩故障的基本方法，根據(jù)不同系統(tǒng)可選擇不同的方式進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。主要是要了解振蕩的原因才能采取相應(yīng)的消除方式進(jìn)行調(diào)整，不可盲目進(jìn)行參數(shù)修改，以免影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

    3、結(jié)論

    本文討論了幾種消除數(shù)控振蕩故障的常見方法，各種控制環(huán)節(jié)都有詳細(xì)的控制理論做依據(jù)，在保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性的同時(shí)，有效的消除振蕩問題，提高生產(chǎn)效率。當(dāng)然，在有些控制環(huán)節(jié)還存在一些問題，需要以后繼續(xù)加深了解和解決。

    數(shù)控系統(tǒng)振蕩問題是數(shù)控機(jī)床調(diào)試或運(yùn)行中常見的故障，對于生產(chǎn)加工過程，及時(shí)處理好故障問題，以保證生產(chǎn)正常運(yùn)行。同時(shí)對于進(jìn)口加工中心需要重點(diǎn)維護(hù)，對于出現(xiàn)常見的振蕩問題，需要長時(shí)間的積累和對問題的理性判斷才能做到有效的維護(hù)和保養(yǎng)。所以，對于各種不同的數(shù)控系統(tǒng)需要采用不同的診斷方法，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)制定有效的故障排除措施，提高生產(chǎn)運(yùn)行能力，保證加工效率。